CH678671A5

CH678671A5 -

Info

Publication number: CH678671A5
Application number: CH3046/89A
Authority: CH
Inventors: Hans-Guenter Dr Mathews
Original assignee: Asea Brown Boveri
Priority date: 1989-08-22
Filing date: 1989-08-22
Publication date: 1991-10-15
Also published as: FR2651369B1; JPH0389432A; FR2651369A1; DE4024527A1; RU2042226C1; US5134343A

Description

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Beschreibung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein quasi-optisches Gyrotron, bei welchem eine Elektronenstrahlkanone mit einer ringförmigen Kathode einen Elektronenstrahl erzeugt, weicher entlang einer Elektronenstrahl-achse läuft und dabei durch ein statisches Magnetfeld komprimiert und zur Gyration gezwungen wird, so dass er in einen quasi-optischen Resonator, welcher zwei auf einer senkrecht zur Elektronenstrahl-achse ausgerichteten Resonatorachse einander gegenüberliegend angeordnete Spiegel aufweist, ein stehendes elektromagnetisches Wechselfeld bestimmter Wellenlänge anregt,

Stand der Technik

Ein quasi-optisches Gyrotron der eingangs genannten Art ist z.B. aus dem Patent CH 664 045 oder aus dem Artikel «Das Gyrotron, Schlüsselkomponente fur Hochleistungs-Mikroweilensender», H.G. Mathews, Wlinh Quang Tran, Brown Boveri Review 6-1987, pp. 303-307, bekannt. Ein solches Gyrotron arbeitet bei Frequenzen von typischerweise 150 GHz und mehr und vermag im Dauerstrichbetrieb Strahlungsleistungen von wenigen 100 kW zu erzeugen.

Ein Gyrotron der genannten Art hat aus elektronenoptischen Gründen einen ringförmigen Elektronenstrahl. Wenn dieser Eiektronenstrahl in den Resonator eintritt, dann läuft ein gewisser Teil des Stroms durch Knotenflächen des stehenden elektromagnetischen Wechselfeldes und trägt damit nur unwesentlich zur Anregung dieses Feldes bei. Andererseits wird in den Wellenbäuchen des stehenden Wechselfeldes die azimutale Bewegungsenergie des Elektronenstrahls weitgehend in Mikrowel-lenenergie umgewandelt. Es ist somit unvermeidlich, dass ein gewisser Anteil der Energie des Eiektronenstrahls nicht genutzt werden kann.

Dieses Problem wurde bereits erkannt und es sind auch schon entsprechende Lösungsvorschläge gemacht worden. In der Veröffentlichung «The NRL Quasi-optical Gyrotron Experiment», T.A. Har-greaves et al., Twelfth International Conference on Infrared and Millimeter Waves, December 14-18, 1987, Lake Buena Vista (Orlando), Florida, Conference Digest by R.J. Temkin, pp. 239-239, wird vorgeschlagen, dass zur Verbesserung des Wirkungsgrades anstelle einer Magnetron-Injektions-Kanone eine Elektronenkanone mit einem schicht-förmigen Strahl verwendet wird.

Ein konkreter Vorschlag für eine Schichtstrahlkanone "ist z.B. aus der Veröffentlichung «Design of a Quasi-optical Gyrotron with Sheet Electron Beam», M.E. Read et al., Thirteenth International Conference on Infrared and Millimeter Waves, December 5-9, 1988, Honolulu, Hawai, Conference Digest by R.J. Temkin, pp. 279-280, bekannt. Dabei sind parallel nebeneinander mehrere, streifenförmige elektronenemittierende Kathodenelemente angeordnet, welche den gewünschten schichtförmigen StrahMiefern.

Ein solcher Elektronenstrahl vermag zwar den Wirkungsgrad eines Gyrotrons beträchtlich zu steigern, ist aber aufwendig in der Herstellung und verlangt nach einer völlig neuartigen Elektronenstrahl-optik. Die bisher gebauten Gyrotrons sind nämlich auf einen rotationssymmetrischen Strahl ausgelegt und können daher nicht ohne weiteres mit der neuartigen Schichtstrahlkanone betrieben werden.

Im Bestreben, die Leistung des quasi-optischen Gyrotrons weiter zu steigern, ist es nötig, auch die Stromdichte des Elektronenstrahls erhöhen zu können. Ein bedeutender Schritt in diese Richtung wurde mit der Entwicklung von sogenannten Mischmetall-Matrixkathoden geleistet, wie sie z.B. aus dem Patent EP 0 157 634 B1 bekannt sind. Die hohen Stromdichten (über 10 A/cm2), die diese hervorzubringen fähig sind, und die Kompatibilität mit der herkömmlichen Elektronenstrahloptik ermöglichen eine Verbesserung der Gesamtleistung der bekannten Gyrotronstruktur.

In diesem Zusammenhang ist auch auf die Technologie der impregnierten Kathoden und der sogenannten Dispenser-Kathoden hinzuweisen. Eine Übersicht über diese Technologie verschafft der Artikel «Dispenser Cathodes; The Current State of Technology», LR. Falce, Hughes Aircraft Company, Electron Dynamics Division, Torrance, California, IEDM 83, pp. 448-451, IEEE 1983. Aus dem Artikel «Performance Analysis of three différent M-Type Dispenser Cathodes», B. Latini, P. Cristini, I. Fra-gela und G. Marletta, Int. Conf. on Microwave Tubes in Systems, Problems and Prospects, London, 22-24 October 1984, Conf. Pubi, No. 241, pp. 35-41, ist schliesslich bekannt, dass sich die Stromdichte der Kathoden durch Beschichtung mit geeigneten Metallen wie z.B. Os/Ru, Os/W, Ir und dergleichen beträchtlich steigern lässt.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Gyrotron der eingangs genannten Art zu schaffen, welches sowohl eine hohe Strahlungsleistung zu erbringen vermag, als auch einen hohen Wirkungsgrad hat und dabei die Nachteile bekannter Lösungsvorschläge überwindet.

Erfindungsgemäss besteht die Lösung darin, dass die ringförmige Kathode abwechselnd Segmente hoher und niedriger Emissionsfähigkeit aufweist, derart dass der Elektronenstrahl eine azimutal variierende Stromdichte hat, wobei Werte niedriger Stromdichte im Resonator örtlich mit Knotenflächen des stehenden elektromagnetischen Wechselfeldes zusammenfallen.

Vorzugsweise sind die Segmente so ausgebildet, dass sie insgesamt im wesentlichen einer Überlagerung eines periodischen Musters paralleler Streifen mit einem Kreisring entsprechen. Die Periode des Musters entspricht mit Vorteil einem Produkt aus Kompressionsfaktor mal halber Wellenlänge oder einem ganzzahligen Vielfachen davon. Bei dieser Ausführungsform werden die Vorteile eines Schichtstrahls mit denjenigen der zylindersymmetrischen Elektronenstrahlanordnung optimal kombiniert.

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Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform wird die hohe Emissionsfähigkeit mindestens doppelt so gross gewählt wie die niedrige Emissionsfähigkeit. Damit kann eine relevante Erhöhung des Wirkungsgrades sichergestellt werden.

Um eine allzu starke Konzentration des Kathodenstroms zu vermeiden, wird die ringförmige Kathode mit Vorteil derart ausgebildet, dass die Segmente hoher Emissionsfähigkeit flächenmässig einen möglichst grossen Anteil der Kathode ausmachen.

Eine erfindungsgemässe Kathode lässt sich auf verschiedene Arten herstellen. Eine erste Möglichkeit besteht darin, dass eine Matrixkathode selektiv mit einem die Elektronenaustrittsarbeit erniedrigenden Metall wie z.B. einem Os-haltigen Mischmetall bedeckt wird. Die mit dem genannten Metall beschichteten Stellen bilden dann die Segmente hoher Emissionsfähigkeit. Die Os-haltige Schicht ist sehr einfach herzustellen (z.B. Aufsputtern durch eine entsprechend gestaltete Maske hindurch) und erhöht die Emissivität um einen Faktor 2 bis 5. Der Vorteil bei dieser Ausführungsform liegt darin, dass der Gesamtstrom sehr hoch und die Energie der Elektronen aufgrund der sanften Übergänge zwischen Segmenten hoher und niedriger Emission sehr homogen im Strahl verteilt ist.

Eine zweite Möglichkeit besteht darin, eine Matrixkathode selektiv mit einer emissionshemmenden Substanz, also einem nicht-emittierenden oder schwach-emittierenden Material, z.B. mit einer Mo/ Ru-Schicht, abzudecken. Die abgedeckten Bereiche bilden dann die Segmente niedriger Emissionsfähigkeit. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist das grosse Verhältnis von hoher zu niedriger Emis-sionsfähigkeit.

Eine dritte Möglichkeit schliesslich bildet eine aus einzelnen Segmenten unterschiedlicher Emissivität zusammengesetzte Kathode. Die Segmente niedriger Emissionsfähigkeit bestehen z.B. aus Mo und diejenigen hoher Emissionsfähigkeit aus Matrixkathoden-Material. Auf diese Weise sind die Bereiche hoher und niedriger Emissionsfähigkeit scharf voneinander getrennt.

Eine grosse Zahl von weiteren Ausführungsformen ergibt sich schliesslich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines quasioptischen Gyrotrons im Längsschnitt;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer segmentierten, ringförmigen Kathode mit zwei stark emittierenden Segmenten; und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer segmentierten, ringförmigen Kathode mit sechs stark emittierenden Segmenten.

Die in der Zeichnung verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezeichnungsliste zusammenfassend tabelliert. Grundsätzlich sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt schematisch die für die Erläuterung der Erfindung wesentlichen Teile eines quasi-opti-schen Gyrotrons. Eine Elektronenstrahlkanone 1, welche typischerweise eine Kathode 2, eine Hilfsanode 3 und eine Anode 4 umfasst, erzeugt einen Elektronenstrahl 5. Dieser läuft entlang einer Elek-tronenstrahlachse 6, wird von einem Magnetfeld, welches z.B. durch zwei Spulen 10a, 10b in Helm-holtzanordnung erzeugt wird, komprimiert und tritt dann in einen quasi-optischen Resonator ein. Dieser wird durch zwei einander auf einer Resonatorachse 8 gegenüberliegende Spiegel da, 9b gebildet. Die Resonatorachse 8 steht im wesentlichen senkrecht zur Elektronenstrahlachse 6.

Die Elektronen des Elektronenstrahls 5, welche aufgrund des starken Magnetfeldes zur Gyration gezwungen werden, regen im Resonator ein stehendes elektromagnetisches Wechselfeld 7 bestimmter Wellenlänge an. Aus dem Resonator wird dann die gewünschte Millimeter- oder Submillimeter-Strah-Iung ausgekoppelt.

Die bisher beschriebenen Aspekte des quasi-op-tischen Gyrotrons sind aus dem eingangs zitierten Stand der Technik hinlänglich bekannt und bedürfen deshalb an dieser Stelle keiner weiteren Erläuterung.

Neu ist die Elektronenkanone 1 und im besonderen deren Kathode 2. Diese ist ringförmig und gemäss der Erfindung so beschaffen, dass der Elektronenstrahl 5 eine azimutal variierende Stromdichte hat. In den Knotenflächen des stehenden Wechselfeldes 7 ist die Stromdichte dabei verhältnismässig niedrig und in den Wellenbäuchen, d.h. in den Bereichen hoher elektrischer Feldstärke, gross. Zu diesem Zweck weist die Kathode 2 mehrere Segmente mit abwechslungsweise hoher und niedriger Emissionsfähigkeit auf.

Flg. 2 veranschaulicht diesen Sachverhalt. Sie zeigt beispielhaft eine ringförmige Kathode 2 mit je zwei Segmenten niedriger und zwei Segmenten hoher Emissionsfähigkeit 11a, 11b resp. 12a, 12b. Wie bereits angedeutet sind die Segmente niedriger Emissionsfähigkeit 11a, 11b so ausgebildet und ausgerichtet, dass sie im Resonator zu einer relativ kleinen Stromdichte in den Knotenflächen des stehenden Wechselfeldes 7 führen. Auf der rechten Seite der Fig. 2 ist die Amplitude des stehenden Wechselfeldes 7 dargestellt, wie sie von der Kathode »gesehen» wird. Im vorliegenden Beispiel werden bei der Segmentierung der Kathode somit eine einzige Knotenfläche und zwei Wellenbäuche berücksichtigt.

Die beiden genannten Segmente niedriger Emissionsfähigkeit 11a, 11b sind gleich gross und symmetrisch zur Elektronenstrahlachse 6, (welche in der mittleren Darstellung der Fig. 2 senkrecht zur Zeichenebene steht). Die dazwischen liegenden Segmente hoher Emissionsfähigkeit 12a, 12b sind mög5

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liehst gross gehalten, um eine allzu starke Konzentration des Stromes zu vermeiden.

Im wesentlichen entstehen die Segmente dadurch, dass einem Kreisring (entsprechend der Kathode 2) ein periodisches Muster von parallelen Streifen (entsprechend dem Amplitudenmuster des elektromagnetischen Wechselfeldes) überlagert wird. Das Muster hat dabei vorzugsweise eine Periode entsprechend dem Produkt aus halber Wellenlänge mal Kompressionsfaktor. Der Kompressionsfaktor gibt dabei das Verhältnis der Stärke des Magnetfeldes am Oit des Elektronenemitters (Kathode) zu deijenigen am Ort des Resonators (Wechselwirkungszone) an.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform haben die Streifen, welche einen Bereich hoher Stromdichte resp. hoher Amplitude des Wechselfeldes darstellen (punktgerasterte Steifen), eine Breite b, die etwa ihrem gegenseitigen Abstand d entspricht. Die Summe aus Breite b und Abstand d entspricht dabei der genannten Periode des Musters. Der Übergang von einer hohen auf eine niedrige Strom-konzentration ist dann bei einer relativen Amplitude von etwa 0.7 lokalisiert.

Zur Verringerung der Stromkonzentration kann die Breite b aber ohne weiteres grösser und der gegenseitige Abstand entsprechend kleiner gewählt werden. Umgekehrt kann zur Erhöhung des Wirkungsgrades die Breite b sehr klein gemacht und auf die Maxima der Amplitude des Wechselfeldes abgestimmt werden.

Fig. 3 zeigt ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier weist die Kathode je 6 Segmente hoher resp. niedriger Emissionsfähig-keit auf. Die stark emittierenden Segmente sind in der Rgur durch eine Schraffur gekennzeichnet. Auf der rechten Hälfte der Figur ist wiederum das durch das Wechselfeld des Resonators bestimmte periodische Muster angedeutet. Auf der linken Seite ist zu jedem Segment ein entsprechender Öffnungswinkel at, <X2, oc3, GC4, os, CE6 angegeben.

Im Hinblick auf einen möglichst hohen Wirkungsgrad sind z.B. folgende Werte vorteilhaft: ai = 64°, oc2 = 35°, «3 = 10°, cc4 = 26° «5 = 03, c*6 = os. Die genannten Werte für die Öffhungswinkel ergeben sich dadurch, dass die stark emittierenden Segmente (at, 03, as) so gewählt werden, dass im Resonator die korrespondierenden hohen Stromdichten lokal diejenigen Bereiche des Wechselfeldes überdecken, die eine relative Amplitude von mindestens 0.95 aufweisen. Damit liegt der Wirkungsgrad des Gyrotrons bei 90-95% des theoretisch möglichen Wirkungsgrades.

Es ist zu beachten, dass schon bei wenigen Segmenten eine beachtliche Erhöhung des Wirkungsgrades auftritt. Wenn z.B. bei einer Kathode gemäss Fig. 2 das Verhältnis von hoher zu niedriger Emissivität etwa 3:1 beträgt, dann erhöht sich der Wirkungsgrad gegenüber einer nlcht-segmentier-ten Kathode bereits um gute 50%.

Im Betrieb werden die Knotenflächen des stehenden elektromagnetischen Wechselfeldes durch Justieren der Spiegel 9a und 9b auf die Bereiche niedriger Stromdichte abgestimmt.

Die Anzahl der Segmente hängt im wesentlichen von der Wellenlänge, dem Kompressionsfaktor und dem Durchmesser der ringförmigen Kathode ab. Er-findungsgemäss sind mindestens zwei stark emittierende Segmente vorzusehen. Nach oben ist die Zahl durch eine herstellungsbedingte minimale Strukturgrösse begrenzt. Auf jeden Fall eignen sich segmentierte Kathoden hinab bis zu Wellenlängen von etwa 1/10 mm.

Ein kleines Zahlenbeispiel soll das Ganze veranschaulichen. Angenommen der Kompressionsfaktor beträgt etwa 20 und die Wellenlänge 1 mm, dann können mit einer Kathode mit einem mittleren Durchmesser von etwa 20 mm gerade etwa zwei Knotenflächen berücksichtigt werden. Bei einer Wellenlänge von 0.2 mm hingegen werden etwa 20 Knotenflächen berücksichtigt. Wenn auf eine Knotenfläche etwa zwei Segmente niedriger Emissionsfähigkeit gerechnet werden, dann besteht eine derartige Kathode aus etwa 40 Segmenten niedriger und ebensovielen hoher Emissivität.

Im folgenden werden einige bevorzugte Formen der Realisierung einer erfindungsgemässen Kathode beschrieben.

Gemäss einer ersten Ausführungsform wird als Kathode eine lokal mit einer die Emissionsfähigkeit stark fördernden Substanz, vorzugsweise mit einem Os-haltigen Metall, bedeckte Matrixkathode verwendet. Für die Zwecke der Erfindung wird als letzter Schritt bei der Herstellung eine im Sinn der Erfindung lokal strukturierte Schicht aus Os aufgebracht (Aufsputtern durch eine geeignete Maske hindurch). Die mit Os bedeckten Bereiche der Kathode bilden dabei die Segmente hoher Emissionsfähigkeit. Die dazwischenliegenden unbedeckten Bereiche haben eine um einen Faktor 2-4 niedrigere Emissivität und sind auf die Knotenflächen abgestimmt

Da die Oberfläche einer derartigen Kathode nahezu eben ist, haben die austretenden Elektronen alle etwa die selben Startbedingungen und bilden damit einen Elektronenstrahl mit ziemlich homogener Energieverteilung.

Ein weiterer Vorteil bedeutet die Tatsache, dass sich der letzte Herstellungsschritt, nämlich das Aufsputtern von Os durch eine geeignet segmentierte Maske, problemlos in den normalen Herstei-lungsprozess der Matrixkathode integrieren lässt. Insbesondere ist diese Ausführungsform auch für fein segmentierte Kathoden gut geeignet.

Gemäss einer 2weiten Ausführungsform wird eine Matrixkathode zwecks lokaler Erniedrigung der Emissionsfähigkeit im Sinn der Erfindung in einem letzten Herstellungsschritt selektiv mit einer emis-sionshemmenden Schicht, insbesondere mit einer Mo/Ru-Schicht abgedeckt. Die derart abgedeckten Bereiche der Matrixkathode emittieren nicht und berücksichtigen damit optimal die Knotenflächen des Wechselfeldes im Resonator.

Wenn die Mo/Ru-Schicht, vorzugsweise bei nicht allzu kleinen Segmenten, nachträglich aufgetragen wird, dann können serienmässig hergestellte, reine Matrixkathoden ohne grossen zusätzlichen Aufwand für die Zwecke der Erfindung umfunktioniert werden.

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Gemäss einer dritten Ausführungsform ist die Kathode aus mehreren Teilen zusammengesetzt. Die beispielsweise zusammengelöteten oder -ge-schweissten Teile bestehen abwechslungsweise aus einem Material hoher resp. niedriger Emissionsfähigkeit. In diesem Sinn geeignete Materialien sind alle als solche bekannten Matrixkathoden-Materialien. Ebenso eignen sich Mo und Mo-Legierungen.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Erfindung einen einfach zu begehenden Weg zur Erhöhung des Wirkungsgrades bekannter quasioptischer Gyrotrons angibt.

BEZEICHNUNGSLISTE

1 - Elektronenstrahlkanone;

2 - Kathode;

3 - Hilfsanode;

4—Anode;

5 - Elektronenstrahl;

6 - Elektronenstrahlachse;

7-Wechselfeld;

8 - Resonatorachse;

9a, 9b-Spiegel;

10a, 10b-Spulen;

11 a, 11 b - Segment niedriger Emissionsfähigkeit;

12a, 12b-Segment hoher Emissionsfähigkeit.

Claims

Patentansprüche

1. Quasi-optisches Gyrotron, bei welchem a) eine Elektronenstrahlkanone mit einer ringförmigen Kathode einen Elektronenstrahl erzeugt,

b) welcher entlang einer Elektronenstrahlachse läuft und dabei durch ein statisches Magnetfeld komprimiert und zur Gyration gezwungen wird,

c) so dass er in einen quasi-optischen Resonator, welcher zwei auf einer senkrecht zur Elektronenstrahlachse ausgerichteten Resonatorachse einander gegenüberliegend angeordnete Spiegel aufweist, ein stehendes elektromagnetisches Wechselfeld bestimmter Wellenlänge anregt, dadurch gekennzeichnet, dass d) die ringförmige Kathode abwechselnd Segmente hoher und niedriger Emissionsfähigkeit aufweist, derart dass der Elektronenstrahl eine azimutal variierende Stromdichte hat, wobei Werte niedriger Stromdichte Im Resonator örtlich mit Knotenflächen des stehenden elektromagnetischen Wechselfeldes zusammenfallen.

2. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente so ausgebildet sind, dass sie insgesamt einer Überlagerung eines periodischen Musters paralleler Streifen mit einem Kreisring entsprechen.

3. Quasî-optisches Gyrotron nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Periode des Musters einem Produkt aus einem Kompressionsfaktor mal einer halben Wellenlänge oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht.

4. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hohe Emissionsfähigkeit mindestens doppelt so gross wie die niedrige Emissionsfähigkeit ist.

5. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode mindestens zwei Segmente hoher Emissionsfähigkeit und zwei Segmente niedriger Emissionsfähigkeit aufweist.

6. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die parallelen Streifen eine Breite haben, die etwa einem gegenseitigen Abstand entspricht.

7. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode eine Matrixkathode ist, welche strukturierte, mit einem emissionsfördemden Material, insbesondere mit einem Os-haltigen Material beschichtete Bereiche aufweist, wobei die Segmente hoher Emissionsfähigkeit durch die beschichteten Bereiche gebildet werden.

8. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode eine Matrixkathode ist, welche strukturierte, mit einem emissionshemmenden Material, insbesondere mit Mo/Ru beschichtete Bereiche aufweist, wobei die Segmente niedriger Emissionsfähigkeit durch die beschichteten Bereiche gebildet werden.

9. Quasi-optisches Gyrotron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode eine Matrixkathode ist und die Segmente niedriger resp. hoher Emissionsfähigkeit durch aneinandergelötete Teile abwechslungsweise verschiedener Emissionsfähigkeit gebildet werden.

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